CN103706042A - 四维追踪放疗系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种四维追踪放疗系统，属于放疗设备领域，包括肿瘤运动轨迹的提取系统，设有轨迹追踪加速器，轨迹追踪加速器设有治疗头，治疗头设有二级准直器、两维移动机构与多叶准直器，驱动电机水平安装在二级准直器侧面，电机内设有控制器，控制器信号接收端连接肿瘤运动轨迹提取系统，信号发送端连接驱动电机，直线导轨水平安装在二级准直器侧面，驱动电机下方，设置联袂块，使联袂块底部与多叶准直器连接，联袂块中部安装在直线导轨内，驱动电机转子上设有滚珠丝杠，联袂块顶部与多叶准直器相互配合，四维追踪放疗系统，精度高，不需要患者憋气，肿瘤实际运动信息无偏差，治疗时间短，不会造成患者恐慌。

Description

四维追踪放疗系统

技术领域

本发明提供一种四维追踪放疗系统，属于放疗设备领域。 

背景技术

在对肺癌和肝癌进行放射治疗时，肺部器官的呼吸运动会造成靶区的移动，为了不遗漏肿瘤靶区，照射野必须扩大。由此造成正常组织照射体积增加，发生放射性肺炎或放射性肝炎的可能性增大，从而限制了放疗剂量的提高。为了克服呼吸运动对肿瘤放疗产生不利的影响，呼吸控制技术在肿瘤放疗领域中得到应用和推广，到目前为止，常用的呼吸控制技术有：被动加压技术、主动呼吸控制技术、呼吸门控技术、实时跟踪放射技术、呼吸运动补偿技术等。 

被动加压技术是应用各种装置对体位进行固定并对胸腹部采用加压的方法，来限制肺部、膈肌等的运动幅度，从而减少肺部肿瘤的运动幅度。被动加压技术简单易行，不足之处是此方法精度较差。 

主动呼吸控制技术（ABC）要求患者在治疗前深吸气，然后在加速器出束照射过程中屏气，该技术能够减小肿瘤运动幅度，并降低了肺组织密度，从而减少了高剂量曲线内正常肺组织的受照射体积，降低正常组织并发症。ABC装置由呼吸流量监测器和活瓣组成，可以持续监控患者的呼吸信号并通过计算机数字化处理后在显示屏上显示，当肺活量在吸气或呼气超过设定值的时候，两对活瓣关闭从而制动患者呼吸，然后在此制动期进行放疗。应用ABC技术也能有效减少正常肺组织照射体积，靶区中心位移亦能明显减少。但本技术的缺点在于每次呼吸控制前，因患者的功能残气量不同、重复吸气控制造成疲劳以及肺肿瘤患者多伴有呼吸系统症状而致耐受性较差。 

呼吸门控系统（RGS）是患者在治疗中可以自由呼吸，此技术监测呼吸时相的方法是在患者的胸部或腹部放置反映性的标记物，这些标记物的运动过程就可以被安置在墙上的视频摄像机记录下来，摄像机再将图像传到计算机，然后软件对标记物运动进行数字分析并储存起来，标记物到达某一位置其运动信号就成为触发放疗的“开关”。此技术的缺点在于对肿瘤的运动监控采用的不是直接的方法，而是采用间接的手段，通过跟踪患者体表所放置标志物的运动情况来代替体 内肿瘤的实际运动状况，鉴于呼吸运动的复杂性，肿瘤运动和外部监控信号在时间、空间上很难保持一致，这样会造成对获取肿瘤实际运动信息产生一定的偏差。 

实时跟踪放射技术治疗是将金粒等标记物植入患者肿瘤内或附近，用X线机等进行实时跟踪放疗，再由肿瘤放疗医生根据正常危及器官与肿瘤的距离和剂量体积直方图所确定的金粒允许偏离范围来确定是否出束照射，治疗时诊断用X线系统以每秒30帧图像的速度进行监控,并与模板图像进行配准比较，若金粒偏离在允许范围之内,则予以照射,否则切断照射。此方法照射过程断断续续，由此延长了整个治疗时间。 

呼吸运动误差补偿法是要靠硬件技术来实现对肺部肿瘤呼吸运动的补偿。它主要是通过设计一套可以在二维平面上做自由运动的活动平台，将此平台叠加在加速器治疗床上与治疗床一体化，平台可以在治疗床上自由滑动。此平台在步进电机的驱动下有规律的运动，整个运动过程与步进电机保持同步。患者在实施治疗时被摆放到可移动平台的上面，可移动平台的运动方式根据患者体内肿瘤的实时运动情况来确定，平台的运动方向始终保持与肿瘤的运动方向相反，在每一时刻的运动速率大小又尽量保持相同，这样当肿瘤由于呼吸运动而偏离初始时刻照射野中心位置时，平台在同一时刻由于反向运动又会相应带动肿瘤回到原来的初始位置。目前此技术尚不够完善，床板运动会引起患者的恐慌，并且运动过程中患者会产生附带的变化，运动控制复杂，因此应用的很少。此技术的最大优点是患者可以在治疗中自由呼吸。 

目前此技术缺陷在于：其一，被动加压技术精度较差；其二，主动呼吸控制技术，每次呼吸控制前，因患者的功能残气量不同、重复吸气控制造成疲劳以及肺肿瘤患者多伴有呼吸系统症状而致耐受性较差；其三，呼吸门控系统肿瘤运动和外部监控信号在时间、空间上很难保持一致，这样会造成对获取肿瘤实际运动信息产生一定的偏差；其四，实时跟踪放射技术照射过程断断续续，由此延长了整个治疗时间；其五，呼吸运动误差补偿法床板运动会引起患者的恐慌，并且运动过程中患者会产生附带的变化，运动控制复杂。 

发明内容

本发明目的在于提供一种四维追踪放疗系统，精度高，不需要患者憋气，肿瘤实际运动信息无偏差，治疗时间短，不会造成患者恐慌。 

本发明所述的四维追踪放疗系统，包括肿瘤运动轨迹的提取系统，设有轨迹追踪加速器，轨迹追踪加速器设有治疗头，治疗头设有二级准直器、两维移动机构与多叶准直器，两维移动机构包括驱动电机、直线导轨、滚珠丝杠和联袂块，驱动电机水平安装在二级准直器侧面，电机内设有控制器，控制器信号接收端连接肿瘤运动轨迹提取系统，信号发送端连接驱动电机，直线导轨水平安装在二级准直器侧面，驱动电机下方，设置联袂块，使联袂块底部与多叶准直器连接，联袂块中部安装在直线导轨内，驱动电机转子上设有滚珠丝杠，联袂块顶部与多叶准直器相互配合。 

所述的四维追踪放疗系统，多叶准直器设有叶片组A与叶片组B，多叶准直器设有叶片驱动机构，叶片组A与叶片组B分别连接一个叶片驱动机构，多叶准直器设有控制芯片，控制芯片信号接收端连接肿瘤运动轨迹提取系统，信号发送端连接叶片驱动机构。 

所述的四维追踪放疗系统，肿瘤运动轨迹的提取系统，可以是基于四维CT患者呼吸周期不同时相影像的获取肿瘤运动轨迹方式，也可以是基于肿瘤靶区植入金标、磁应答器等方式监视肿瘤运动并获取肿瘤运动轨迹方式，可以实时获得肿瘤位置，解决了实际运动位置出现偏差的问题，由于临床肿瘤运动沿人体头脚方向的肿瘤运动最大，其他左右、前后两方向较小。现代医用加速器采用等中心机架设计，患者治疗时，射束可以从不同的机架角进行投照，患者肿瘤的三维空间的运动，可以非常方便的转换为基于治疗头坐标系的三个方向的运动矢量，由于沿治疗头轴线方向运动主要影响肿瘤接受的剂量，通常肿瘤在该方向的运动对剂量的影响较小。因此本发明主要对其他两个方向进行照射位置跟踪补偿，驱动电机与联袂块配合和叶片驱动机构分别使两维的运动完全可以适应加速器机架在不同角位照射的补偿需要。由于叶片驱动机构和二维运动补偿机构分别由不同的控制器管理，移动过程十分清晰，并且治疗计划只需要完成某一呼吸相位的静态计划，不需要按照复杂的动态肿瘤进行分时相的计划和叠加，非常简单，并且与临床的符合性更好，由于采用连续照射技术，多叶准直器的运动和二维运动补偿机构作为两个独立的控制单元分别同时完成各自的任务，数据处理简单，传输速度快。具有与静态肿瘤照射的主要特征，因此工作效率高。 

所述的四维追踪放疗系统，二级准直器上对应安装直线导轨的相反侧水平安 装直线导轨，两条直线导轨安装在同一水平线上。使多叶准直器固定更为牢稳。 

本发明与现有技术相比，有益效果为：所述的四维追踪放疗系统，肿瘤运动轨迹的提取系统，可以是基于四维CT患者呼吸周期不同时相影像的获取肿瘤运动轨迹方式，也可以是基于肿瘤靶区植入金标、磁应答器等方式监视肿瘤运动并获取肿瘤运动轨迹方式，可以实时获得肿瘤位置，解决了实际运动位置出现偏差的问题，由于临床肿瘤运动沿人体头脚方向的肿瘤运动最大，其他左右、前后两方向较小。现代医用加速器采用等中心机架设计，患者治疗时，射束可以从不同的机架角进行投照，患者肿瘤的三维空间的运动，可以非常方便的转换为基于治疗头坐标系的三个方向的运动矢量，由于沿治疗头轴线方向运动主要影响肿瘤接受的剂量，通常肿瘤在该方向的运动对剂量的影响较小。因此本发明主要对其他两个方向进行照射位置跟踪补偿，驱动电机与联袂块配合和叶片驱动机构分别使两维的运动完全可以适应加速器机架在不同角位照射的补偿需要。由于叶片驱动机构和二维运动补偿机构分别由不同的控制器管理，移动过程十分清晰，并且治疗计划只需要完成某一呼吸相位的静态计划，不需要按照复杂的动态肿瘤进行分时相的计划和叠加，非常简单，并且与临床的符合性更好，由于采用连续照射技术，多叶准直器的运动和二维运动补偿机构作为两个独立的控制单元分别同时完成各自的任务，数据处理简单，传输速度快。具有与静态肿瘤照射的主要特征，因此工作效率高。 

所述的直线导轨，使多叶准直器固定更为牢稳。 

附图说明

图1是新型四维追踪放疗系统图； 

图2是新型四维追踪放疗系统治疗头示意图； 

图3是新型四维追踪放疗系统治疗头的剖面图； 

图4是治疗头对准肿瘤状态示意图； 

图5是肿瘤Y轴方向运动偏离示意图； 

图6是肿瘤X轴方向运动偏离示意图； 

图7是肿瘤X轴方向与Y方向均运动偏离示意图。 

图中：1、肿瘤运动轨迹提取系统；2、轨迹追踪加速器；3、多叶准直器；4、两维移动机构；5、二级准直器；6、驱动电机；7、滚珠丝杠；8、联接块；9、直线导轨；10、叶片组A；11、叶片组B；12、叶片驱动机构。 

具体实施方式

下面根据本发明对本发明实施例做进一步说明： 

实施例1：本发明所述的四维追踪放疗系统，包括肿瘤运动轨迹提取系统1，设有轨迹追踪加速器2，轨迹追踪加速器2设有治疗头，治疗头设有二级准直器5、两维移动机构4与多叶准直器3，两维移动机构4包括驱动电机6、直线导轨9、滚珠丝杠7和联袂块8，驱动电机6水平安装在二级准直器5侧面，驱动电机6内设有控制器，控制器信号接收端连接肿瘤运动轨迹提取系统，信号发送端连接驱动电机6，滚珠丝杠7位于驱动电机6侧面，直线导轨9水平安装在二级准直器5侧面，驱动电机6下方，设置联袂块8，使联袂块8底部与多叶准直器3连接，联袂块8中部安装在直线导轨9内，驱动电机6转子上设有滚珠丝杠7，联袂块8顶部与多叶准直器3相互配合， 

实施例2：在实施例1的结构基础上，多叶准直器3设有叶片组A10与叶片组B11，多叶准直器3设有叶片驱动机构12，叶片组A10与叶片组B11分别连接一个叶片驱动机构12，多叶准直器3设有控制芯片，控制芯片信号接收端连接肿瘤运动轨迹提取系统，信号发送端连接叶片驱动机构12。 

实施例3：在实施例2的结构基础上，二级准直器5上对应安装直线导轨9的相反侧水平安装直线导轨9，两条直线导轨9安装在同一水平线上。 

操作步骤与工作原理： 

1、使用呼吸周期的某一时相，作为初始相位，并制定一个基于该相位静态靶区的治疗计划，确定加速器照射参数和对应的MLC照射孔径； 

2、肿瘤运动轨迹提取系统1实时监控患者肿瘤运动，获取肿瘤运动轨迹和规律； 

3、加速器2实时接收肿瘤运动轨迹提取系统1产生的肿瘤运动轨迹，使用位置预测算法估算上述靶区的未来位置，并将运动轨迹矢量分解为对应多叶准直器3两个方向的整体运动矢量；多叶准直器3两维移动机构4分别执行两个方向肿瘤位置的追踪运动补偿； 

4、同时，多叶准直器3根据患者治疗计划完成射束成型。 

如图4、图5、图6和图7所示，当肿瘤运动轨迹提取系统1实时监控到的肿瘤与初始时相位置发生偏移，如图5时，叶片组A10和叶片组B11同时向Y方向移动相应距离，使之回到图4状态；当出现图6状态时，两维移动机构4驱动电机6经由滚珠丝杠7和联接块8带动多叶准直器3整体沿直线 导轨9在X方向上移动相应距离，使之回到图4状态；当出现图7状态时，上述两种情况同时动作。 

Claims (3)

1.一种四维追踪放疗系统，包括肿瘤运动轨迹的提取系统（1），其特征在于，设有轨迹追踪加速器（2），轨迹追踪加速器（2）设有治疗头，治疗头设有二级准直器（5）、两维移动机构（4）与多叶准直器（3），两维移动机构（4）包括驱动电机（6）、直线导轨（9）、滚珠丝杠（7）和联袂块（8），驱动电机（6）水平安装在二级准直器（5）侧面，驱动电机（6）内设有控制器，控制器信号接收端连接肿瘤运动轨迹提取系统（1），信号发送端连接驱动电机（6），直线导轨（9）水平安装在二级准直器（5）侧面，驱动电机（6）下方，设置联袂块（8），使联袂块（8）底部与多叶准直器（3）连接，联袂块（8）中部安装在直线导轨（9）内，驱动电机（6）转子上设有滚珠丝杠（7），联袂块（8）顶部与多叶准直器（3）相互配合。

2.根据权利要求1所述的四维追踪放疗系统，其特征在于，所述的四维追踪放疗系统，多叶准直器（3）设有叶片组A（10）与叶片组B（11），多叶准直器（3）设有叶片驱动机构（12），叶片组A（10）与叶片组B（11）分别连接一个叶片驱动机构（12），多叶准直器（3）设有控制芯片，控制芯片信号接收端连接肿瘤运动轨迹提取系统（1），信号发送端连接叶片驱动机构（12）。

3.根据权利要求1所述的四维追踪放疗系统，其特征在于，二级准直器（5）上对应安装直线导轨（9）的相反侧水平安装直线导轨（9），两条直线导轨（9）安装在同一水平线上。

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